SAW，FBAR的歷史

早在1855年，瑞利（Lord Rayleigh）就從數(shù)學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)了彈性表面波（SAW ：Surface Acoustic Wave）的存在。1965年，懷特（White）和沃爾特默（Voltmer）聯(lián)合發(fā)明了叉指式換能器（IDT：Inter Digital Transducer），從而取得了表面波在濾波器應(yīng)用技術(shù)上的關(guān)鍵性突破。首先在TV的IF波段上將LC濾波器更換為SAW濾波器，此外，在雷達(dá)信號(hào)處理方面，開始使用SAW設(shè)備。在發(fā)明了IDT之后的短短12年后，威廉姆森（Williamson）于1977年發(fā)表了45種SAW設(shè)備的開發(fā)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用清單（Proc.1977 IEEE Ultrasonic Symposium pp.460-468）其中，不但闡述了其優(yōu)越的特性，同時(shí)也介紹了已被廣泛應(yīng)用的TV用IF濾波器、CATV濾波器、雷達(dá)用脈沖壓縮機(jī)等10多種設(shè)備。

之后，SAW設(shè)備的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，作為一種通訊工具在無(wú)繩電話及pager上得到應(yīng)用，現(xiàn)在的手機(jī)等通訊系統(tǒng)大多也都采用了該設(shè)備。此外，在影像系統(tǒng)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)播調(diào)諧器上也采用了該設(shè)備，同時(shí)，面向數(shù)字地面電視的其他移動(dòng)通訊介質(zhì)，隨著數(shù)字播放及衛(wèi)星數(shù)字廣播、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷變遷，在使用范圍逐漸擴(kuò)大的同時(shí)，SAW設(shè)備也得到了更廣泛的應(yīng)用。GPS用濾波器在汽車導(dǎo)航裝置、遠(yuǎn)程信息處理及手機(jī)上也得到應(yīng)用，同時(shí)，隨著在無(wú)線遙控門鎖及輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)等車載用途等方面、以及通信功能的各種應(yīng)用程序方面的應(yīng)用不斷深入，相信不久的將來(lái)勢(shì)必會(huì)在更多類型的設(shè)備上得到應(yīng)用。

薄膜體聲波諧振器（FBAR：Film Bulk Acoustic Resonator）發(fā)表于1980年，而真正開始應(yīng)用則是在1999年Ruby等人發(fā)表了PCS Duplexer之后。

SAW設(shè)備的原理

如果將小石子扔進(jìn)水池，濺起的水波就會(huì)傳播到周圍水面呢！如果敲擊桌面，也會(huì)感覺(jué)到桌面的振動(dòng)傳到了敲擊部位的周圍。在自由表面的彈性介質(zhì)上，局部表面都有一種傳播波存在。這種傳播波就是彈性表面波。而在地震時(shí)，在最初從地下傳來(lái)的P波、S波之后，沿著地表傳播振動(dòng)的波就會(huì)隨之而來(lái)。這種波就相當(dāng)于彈性表面波。

彈性表面波設(shè)備使用沿著壓電材料表面?zhèn)鞑サ膹椥员砻娌āＶ砸褂脡弘姴牧希且驗(yàn)樾枰獙㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為彈性表面波。如果從外部施加電場(chǎng)，壓電材料則會(huì)發(fā)生形變。因此，在壓電線路板表面形成一種被稱為叉指式換能器的梳齒狀電極（以下稱IDT ：Inter Digital Transducer），這時(shí)如果向它發(fā)出信號(hào)就可以產(chǎn)生一種波。在壓電線路板表面形成的波的速度、聲速基本都是由線路板及波的種類所決定，通過(guò)更改這種梳齒的間距，可以改變激勵(lì)波的頻率。同時(shí)，在SAW到達(dá)IDT后，若該SAW與IDT的間距相符，那么就會(huì)在IDT的電極間產(chǎn)生電信號(hào)。

圖1

圖2

波的種類

這種用于SAW設(shè)備的波也有幾個(gè)種類，根據(jù)其不同的特性而得到有效且相應(yīng)的應(yīng)用。SAW設(shè)備上一般使用由水晶或LiNbO₃、LiTaO₃等結(jié)晶形成的晶圓作為壓電材料，即使是同樣的結(jié)晶，但根據(jù)其所形成的晶圓切割角度、傳播方向的不同，波的傳播特性也會(huì)發(fā)生變化。所謂傳播特性是指?jìng)鞑ニ俣取C(jī)電耦合系數(shù)、TCD（延遲時(shí)間溫度系數(shù)）等。

傳播速度將會(huì)決定形成梳齒狀電極時(shí)、達(dá)到設(shè)備所需頻率而需要的間距范圍。而機(jī)電耦合系數(shù)則關(guān)系到形成電極時(shí)濾波器等所能獲得的通頻帶寬度。TCD關(guān)系到使用溫度環(huán)境下濾波器等的頻率變化范圍。線路板及其切割角度、傳播方向的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)備所需的頻率特性來(lái)決定。

下面介紹幾種代表性波的種類。

瑞利波

瑞利波是瑞利（Lord Rayleigh）于1855年發(fā)現(xiàn)的一種沿半無(wú)限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫ǎ瑥睦碚撋蟻?lái)看，是一個(gè)具有引導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)。使用瑞利波的元件有128°Y-XLiNbO₃及X-112°Y LiTaO₃線路板等，SAW濾波器、諧振器以前還被大量用于TV、VTR設(shè)備以及BS接收器上。

漏波

是一種波的能量集中于線路板表面的、在波的傳播過(guò)程中一邊向線路板內(nèi)部放射體波一邊傳播的波。這里有使用了42°Y-X LiTaO₃或64°Y-X LiNbO₃等線路板的SAQ濾波器。這些線路板上的漏波都具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)，這將便于現(xiàn)在的移動(dòng)通訊接發(fā)元件上所需的較大通頻帶寬度的形成，因而被大量使用。本公司的移動(dòng)通訊用SAW設(shè)備上也主要使用了42°Y-X LiTaO₃的線路板。

拉夫波

在半無(wú)限的彈性介質(zhì)表面設(shè)置其他彈性介質(zhì)層時(shí)，沿著這個(gè)彈性介質(zhì)層傳播的波聲速比它下面的彈性介質(zhì)慢時(shí)說(shuō)明有表面波，這種表面波被稱為拉夫波、即Love波，名稱是根據(jù)它的發(fā)現(xiàn)者（Augustus Edward Hough Love）的名字而命名。Y-X LiNbO₃和Y-X LiTaO₃上會(huì)形成金屬氧化膜或金屬膜，由此可以獲得機(jī)電耦合系數(shù)較大、或者溫度特性良好的線路板。近幾年也開始用于移動(dòng)通訊設(shè)備等方面。